Only Perception: 關鍵轉捩點能引起氣候突然轉變？

2009-04-26

關鍵轉捩點能引起氣候突然轉變？

Critical turning point can trigger abrupt climate change
http://www.physorg.com/news159448477.html

April 20th, 2009

冰河時期是最近地質年代（geological times）中規模最大的自然氣候變化。它們的興起與衰退起因於地球環繞太陽的公轉軌道，由於其他行星的影響而出現了微小的變化。但我們仍不了解地球公轉軌道的改變與氣候變化之間的確切關係。來自於（丹麥）Niels Bohr Institute 的新研究指出，這些（關係）有可能是大氣中 CO2 濃度的改變，那突然達到一種關鍵的轉捩點，並觸發戲劇性的氣候變化。這些結果發表在美國期刊 Paleoceanography。

地球的氣候基本上由三種不同循環（Milankovitch (cycles)，米蘭科維契循環）所控制。這三種循環全都起因於太陽系中其他行星對於地球的拖曳（pull），而某人可這麼說：它們藉由造成太陽輻射的變化，而控制了地球的氣候。

1. 地球繞行太陽的軌道並非完整的圓形，而是有點橢圓形。在一個為期 10 萬年的週期中，軌道「伸縮（elastic）」、收縮與舒張。當我們離太陽愈近，太陽輻射也就愈多，而我們就得到更多熱。

2. 地球的地軸相對於（in relation to）太陽傾斜，而這就為何我們有四季之分。不過這種傾斜並不固定，它會在 22 度與 24 度之間搖擺，而愈傾斜，夏天與冬天之間的差異也就愈大。這種週期需要 4 萬年。

3. 地球繞著地球如同一個陀螺般旋轉 -- 這賦予了我們白天與黑夜。但由於地球的傾斜以及橢圓形的軌道，造成方向以 2 萬年為週期發生變動。這導致地球最靠近太陽時是在夏季或冬季的變化。

在夏季期間，由於地球傾斜與橢圓形軌道中這些週期，在兩半球中的太陽輻射也會變化，而這對於冰帽是否能在陸地面積最大的北半球發展有著深遠地影響。

冰河時期中的神祕變化

冰河時期在最近 2000 萬年間來來去去，而最近幾百萬年，我們在合理的精確度下已知它們多常到來。在大約 1 百萬年前的一段時期中冰河時期大約每 4 萬年發生一次，接著此週期突然發生改變，所以冰河時期變成大約相間 10 萬年。那是一個謎，因為在 1 百萬年前地球軌道的行為並沒有發生變化。因此，那是起因於氣候本身的改變。

傳統智慧指出最近 10 次冰河時期大約 10 萬年的週期，是地球軌道以 10 萬年（為週期）發生變動的古怪行為（測量地球的軌道有多麼的橢圓，以及地球與太陽距離每半年的變動）。不過這種變動仍比以 4 萬年為週期所發生的變動還要弱，故其本質上是個謎。

暖、半冷、冰冷

隨著全新研究結果出爐，位於 Niels Bohr Institute 的 Centre for Ice and Climate 的地球物理學家 Peter Ditlevsen 發現了這種冰河時期突然轉變之謎的部份解釋。他進行過去氣候的模型計算，並將之與來自於海床岩核（seabed cores）的具體資料進行比較，那告訴我們關於過去氣候的波動。

由這些結果，他能夠在起因於太陽輻射變動的可能氣候狀態之上建立一張圖表。結果顯示，冰河時期與間冰期（interglacial periods）並非在寒冷與溫暖氣候之間逐漸變動。

在一百萬年前所發生的是，氣候系統出自於一種情況，在此它以一個 4 萬年的週期在二種狀態（冷熱）間波動，與太陽輻射中佔優勢的變化相符。

在這個時期之後，動態（dynamic）改變了，故氣候在三階段間跳躍，亦即在一種溫暖的間冰期氣候，例如我們目前的氣候，與一種較冷的氣候以及一種非常寒冷的冰河時期氣候之間跳躍。目前以 4 萬年為週期的太陽輻射仍是控制著我們當前的波動，不過那導致變化中的、 8 萬年與 12 萬年的氣候時期。

混沌的動態氣候

氣候並非在較冷與較暖間逐步改變 -- 它會從某一狀態跳到另一種狀態。讓氣候跳來跳去的是，當太陽輻射改變且抵達一某種閾值 -- 一個「臨界點（tipping point）」時，現存氣候狀態，例如冰河時期，不在能夠維持，故氣候跳至另一種狀態，例如一個溫暖的間冰期。在混沌動力學（chaos dynamics）中，這種現象被稱為「分歧（bifurcation）」或「突變（catastrophe，譯註：另一個意思是翻天覆地的大災難）」。

除了太陽輻射的變化之外，地球天氣變動也可能有隨機的變化，那也會促成分歧或「突變」的發生。這樣的變化被稱為「雜訊（noise）」，而理論為：大氣中的二氧化碳濃度會是一種重要的雜訊因子。這意味著，這種「雜訊」是非常大規模氣候改變的「決定性因素」，那也因而成為不可預測的（因素）。

對於 100 萬年前氣候系統中的改變仍無解，不過有個理論說，那是大氣層的二氧化碳濃度降到有史以來最低點。若是這樣，那麼人為的 CO2 增加，可能會讓地球回到 4 萬年的冰河時期週期。

"這些新結果對於理解冰河時期以及它們的氣候動力學而言，是一塊重要的拼圖。在人為氣候變遷中，我們現在很可能就身處其中，有人對於可能的「臨界點」十分擔憂。現在所確認的「分歧」在自然氣候波動中為臨界點，故在我們對於氣候變遷的理解中當然是重要的一步，" Peter Ditlevsen 解釋。

※ 相關報導：

＊ The bifurcation structure and noise assisted transitions in the Pleistocene glacial cycles